En un importante paso adelante para la neurobiología y la bioelectrónica, los científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado un dispositivo inalámbrico que utiliza luz para transmitir información directamente al cerebro. La tecnología pasa por alto las rutas sensoriales tradicionales del cuerpo y, en cambio, envía señales directamente a las neuronas.
El dispositivo es suave y flexible, se ajusta debajo del cuero cabelludo mientras descansa sobre el cuero cabelludo. Desde esta ubicación, envía patrones de luz cuidadosamente controlados a través del hueso para activar grupos específicos de neuronas en toda la corteza.
Señalización cerebral basada en luz en modelos animales.
Durante el experimento, los investigadores utilizaron pequeñas ráfagas de luz sincronizadas con precisión para estimular una población específica de neuronas en lo profundo del cerebro de un modelo de ratón. (Estas neuronas están modificadas genéticamente para responder a la luz). Los ratones aprendieron rápidamente a interpretar ciertos patrones como señales significativas. Incluso sin sonido, vista o tacto, los animales utilizan la información entrante para tomar decisiones y completar tareas conductuales correctamente.
Esta tecnología algún día podría admitir una amplia gama de aplicaciones médicas. Los usos potenciales incluyen proporcionar retroalimentación sensorial para prótesis, proporcionar información artificial para futuras prótesis auditivas o visuales, controlar extremidades robóticas, mejorar la rehabilitación después de una lesión o accidente cerebrovascular y alterar la percepción del dolor sin medicamentos.
Las obras comenzarán el lunes (8 de diciembre). La naturaleza es neurociencia..
Generando nuevas señales cerebrales con tecnología micro-LED
“Nuestro cerebro convierte constantemente la actividad eléctrica en experiencia, y esta tecnología nos brinda una manera de aprovechar ese proceso directamente”, dijo la neurobióloga de Northwestern Yevgenia Kozorovitsky, quien dirigió la parte experimental del estudio. “Esta plataforma nos permite generar señales completamente nuevas y ver cómo el cerebro aprende a usarlas. Nos acerca un poco más a restaurar los sentidos perdidos después de una lesión o enfermedad, al tiempo que ofrece una ventana a los principios fundamentales que nos permiten percibir el mundo”.
John A. Rogers, una figura destacada en bioelectrónica y jefe de desarrollo de tecnología, dijo: “La creación de este dispositivo requirió repensar cómo administrar estimulación modelada al cerebro en un formato que sea mínimamente invasivo y totalmente implantable. Al integrar una matriz suave y conformable de micro-LED, cada uno con un módulo de control impotente y similar a un cabello, hemos creado un sistema que no tiene un impacto mensurable en el comportamiento natural de los animales. Se puede programar en tiempo real para interactuar con el cerebro sin necesidad para cableado pesado y es valioso para investigaciones inmediatas a largo plazo.
Kozorovitsky es profesor Irving M. de Neurobiología en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Profesor Klotz y miembro del Instituto de Química de Procesos Vitales. Rogers ocupa cargos en ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y cirugía neurológica, y dirige el Instituto Quarry Simpson de Bioelectrónica. El primer autor del estudio es el investigador postdoctoral Mingzheng Wu.
Avanzando en avances optogenéticos anteriores
El estudio se basa en trabajos anteriores del mismo equipo. En 2021, informaron sobre el primer dispositivo totalmente implantable, programable, inalámbrico y sin batería que puede controlar neuronas con luz. Este sistema utilizó una única sonda micro-LED para influir en el comportamiento social de los ratones. A diferencia de la optogenética tradicional, que se basa en cables de fibra óptica que restringen el movimiento, el diseño inalámbrico permite que los ratones se comporten de forma natural en entornos sociales.
El nuevo dispositivo amplía esta capacidad al permitir una comunicación más compleja con el cerebro. En lugar de estimular un área pequeña, el sistema actualizado utiliza una serie de hasta 64 micro-LED programables. Cada luz se puede controlar de forma independiente en tiempo real, lo que permite a los investigadores generar secuencias que se asemejan a los patrones de actividad distribuida que el cerebro produce naturalmente durante las experiencias sensoriales. Debido a que las sensaciones reales activan redes extensas en lugar de neuronas aisladas, este enfoque multisitio refleja cómo funciona normalmente la corteza.
“En el primer artículo, utilizamos un solo micro-LED”, dijo Wu. “Ahora estamos utilizando una serie de 64 micro-LED para controlar patrones de actividad cortical. Los patrones que podemos crear con diferentes combinaciones de LED (frecuencia, intensidad y secuencia temporal) son casi infinitos”.
Un diseño más suave y menos invasivo
A pesar de la potencia extra, el dispositivo sigue siendo pequeño. Es del tamaño de un sello postal y más delgado que una tarjeta de crédito. En lugar de insertar una sonda en el cerebro, la nueva versión se adapta suavemente a la superficie del cráneo y emite luz a través del hueso.
“La luz roja penetra bastante bien en los tejidos”, dijo Kozorovitsky. “Llega lo suficientemente profundo a través del cráneo como para activar las neuronas”.
Entrenar el cerebro para reconocer patrones sintéticos
Para evaluar el sistema, el equipo trabajó con ratones diseñados para tener neuronas sensibles a la luz en la corteza. Se entrenó a los animales para asociar un patrón específico de estímulos con una recompensa, generalmente ubicada en un puerto específico dentro de una cámara de prueba.
Durante una serie de pruebas, el implante generó un patrón definido en cuatro regiones corticales, actuando como si enviara un mensaje codificado directamente al cerebro. Las ratas aprenden a identificar este patrón objetivo entre muchas alternativas. Cuando detectaron la señal artificial correcta, navegaron hasta el puerto apropiado para recibir una recompensa.
“Al seleccionar el puerto correcto, el animal demuestra que ha recibido el mensaje”, dijo Wu. “No pueden usar el lenguaje para decirnos lo que sienten, por lo que se comunican a través de su comportamiento”.
Desarrollo futuro y aplicaciones generalizadas.
Ahora que el equipo ha demostrado que el cerebro puede interpretar estímulos luminosos modelados como información significativa, planean probar patrones más sofisticados y determinar cuántas señales distintas el cerebro puede aprender de manera confiable. Las versiones futuras del dispositivo pueden tener más LED, espacios más pequeños entre ellos, matrices más grandes que cubran más corteza y longitudes de onda de luz que penetren más profundamente en el tejido.
La investigación, “La optogenética transcraneal inalámbrica con patrones crea percepción artificial”, recibió el apoyo del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica, NINDS/Brain Initiative, el Instituto Nacional de Salud Mental, el Premio de Investigación One Mind Nick Leddit Rising Star, el Premio de Exploración Kavli, la Fundación Alvard, la Fundación Alvard y la Fundación Alvard. y la beca Christina Enroth-Kugel y David Kugel.
